传感器技术实验指导书2014

1、 传感器原理及应用课程实验实训教程(第四版 )2014年08月 传感器原理及应用实验实训教程实 验 目 录实验一 电阻式传感器1实验二 电容式传感器5实验三 电感式传感器7实验四 霍尔式传感器10实验五 压电式传感器11实验六 热电式传感器13实验七 电涡流传感器15第 17 页 实验一 电阻式传感器金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂、半桥、全桥工作原理和性能比较。二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为： RRK式中：RR为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,=L

2、/L为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化。电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压；对于半桥不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压；对于全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值：R1R2R3R4，其变化值R1R2R3R4时，其桥路输出电压。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。三、需用器件与单元：主机箱(

3、77;4V、±15V、电压表)、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、4位数显万用表（自备）。图1 应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图四、实验步骤：1、单臂：应变传感器实验模板说明：实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片，没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设，图中的粗黑曲线表示连接线。1、根据图1应变式传感器（电子秤传感器）已装于应变传感器模板上。传感器中4片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的R1、R2、R3、R4和加热器上。传感器左下角应变片为R1；右下角为R2；右上角为R3；左上角为R4。当传感器托盘支点受压时，R1、R3

4、阻值增加，R2、R4阻值减小，可用四位半数显万用进行测量判别。常态时应变片阻值为350，加热丝电阻值为50左右。安装接线。 2、放大器输出调零：将图1实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接(Vi0)；调节放大器的增益电位器RW3大约到中间位置(先顺时针旋到底，再逆时针旋转1圈)；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。3、应变片单臂电桥实验：拆去放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原(见图1接线图)。调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一

5、只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g 砝码加完。记下实验结果（重复三次正反行程）填入表1画出实验曲线。表1重量(g)电压(mv)4、根据表1计算系统灵敏度SU/W（U输出电压变化量，W重量变化量）；非线性误差，=m/yFS ×100式中m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yFS满量程输出平均值，此处为200g；重复性；迟滞误差。 2、半桥： 根据图2接线。注意R2应和R3受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。实验方法与单臂相同，记下实验数据（重复三次正反行程）填入表2画出实验曲线，

6、计算灵敏度；非线性误差；重复性；迟滞误差。（可以验证相对臂）表2重量(g)电压(mv)图2 应变式传感器半桥接线图3全桥：根据图3接线。实验方法与单臂相同，将实验数据（重复三次正反行程）填入表3画出实验曲线；计算灵敏度；非线性误差；重复性；迟滞误差。实验完毕，关闭电源。表3重量(g)电压(mv)图3 全桥性能实验接线图五、思考题：1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。2、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。3、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存

7、在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。4、测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1R3，R2R4，而R1R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。 5、根据试验所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。阐述理由（注意：单臂、半桥、全桥的放大器增益必须相同）。 实验二 电容式传感器一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。二、基本原理：利用电容CAd和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（变）、测位移（d变）和测量液位（

8、A变）等多种电容传感器。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如下图所示：它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=2pln(Rr)。图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生X位移时，电容量的变化量为C=C1C2=2p2Xln(Rr)，式中2p、ln(Rr)为常数，说明C与位移X成正比，配上配套测量电路就能测量位移。图1 差动变面积型电容式传感器结构图三、需用器件与单元：主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。四、实验步骤：附：测微头的组成与使用： 测微头组成和读数如图2图2 测位头组成与读数测微头组成： 测微

9、头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。测微头读数与使用：测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线(1格)，另一排是半毫米刻线(.格)；微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线(.格)。用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移.毫米，这也叫测微头的分度值。测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读110分度，如图91甲读数为.，不是.；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如图91乙已过

10、零则读.；如图91丙未过零，则不应读为，读数应为.。测微头使用：测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。一般测微头在使用前，首先转动微分筒到处(为了保留测杆轴向前、后位移的余量)，再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套(测微头整体移动)使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置(视具体实验而定)时再拧紧支架座上的紧固螺钉。当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。1、按图3将电容传感器装于电容传感器实验模板上并按图示意接线(实验模板的输出接主机箱电压表的)。2、将实验模板上的Rw调节到中间位置(方法：逆时针转到底再顺时传圈)。3、将主机箱上的电压

11、表量程(显示选择)开关打到档，合上主机箱电源开关，旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示，再转动测微头(同一个方向)6圈，记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。以后，反方向每转动测微头1圈即=.位移读取电压表读数(这样转12圈读取相应的电压表读数)，将数据填入表6并作出实验曲线(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差)。4、将实验数据（重复三次正反行程）填入表1画出实验曲线；计算灵敏度；非线性误差；重复性；迟滞误差。实验完毕，关闭电源。图3 电容传感器位移实验安装、接线图表1 电容传感器位移与输出电压值X(mm) V(mv)实验三 电感式传感器差动变压器的性能实验一、

12、实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。二、基本原理：差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。当差动变压器随着被测体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动电势输出。其输出电势反映出被测体的移动量。三、需用器件与单元：主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。四、实验步骤：附：测微头的组成与使用： 测微头组成和读数如图1图1 测位头组成与读数测微头

13、组成： 测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。测微头读数与使用：测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线(1格)，另一排是半毫米刻线(.格)；微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线(.格)。用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移.毫米，这也叫测微头的分度值。测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读110分度，如图91甲读数为.，不是.；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如

14、图91乙已过零则读.；如图91丙未过零，则不应读为，读数应为.。测微头使用：测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。一般测微头在使用前，首先转动微分筒到处(为了保留测杆轴向前、后位移的余量)，再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套(测微头整体移动)使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置(视具体实验而定)时再拧紧支架座上的紧固螺钉。当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。1、将差动变压器和测微头(参照附：测微头使用)安装在实验模板的支架座上，差动变压器的原理图已印刷在实验模板上，L1为初级线圈；L2、L3为次级线圈；号为同名端，如图2（实验模

15、块中的K=5）。2、按图2接线，差动变压器的原边的激励电压必须从主机箱中音频振荡器的Lv端子引入，检查接线无误后合上总电源开关，调节音频振荡器的频率为4 KHz5KHz（可用主机箱的频率表输入Fin来监测）；调节输出幅度峰峰值为Vp-p2V（可用示波器监测：X轴为0.2ms/div）。3、松开测微头的安装紧固螺钉，移动测微头的安装套使示波器第二通道显示的波形Vp-p为较小值(变压器铁芯大约处在中间位置)，拧紧紧固螺钉，仔细调节测微头的微分筒使示波器第二通道显示的波形Vp-p为最小值(零点残余电压)并定为位移的相对零点。这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位移为负，从Vp-p最

16、小开始旋动测微头的微分筒，每隔0.2mm(可取1025点)从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表5，再将测位头退回到Vp-p最小处开始反方向做相同的位移实验。在实验过程中请注意：从Vp-p最小处决定位移方向后，测微头只能按所定方向调节位移，中途不允许回调，否则，由于测微头存在机械回差而引起位移误差；所以，实验时每点位移量须仔细调节，绝对不能调节过量，如过量则只好剔除这一点继续做下一点实验或者回到零点重新做实验。当一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到Vp-p最小处时它的位移读数有变化(没有回到原来起始位置)是正常的，做实验时位移取相对变化量为定值，只要中途测微头不回调就不会引起位移

17、误差。4、实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。将实验数据（重复三次正反行程）填入表1画出实验曲线；计算灵敏度；非线性误差；重复性；迟滞误差。实验完毕，关闭电源。5、按图3、图4连接线路，重复24步，理解残余电压的补偿及其方法。表1 V(mv)X(mm) 图2 差动变压器性能实验安装、接线图图3零点残余电压补偿电路接线图之一图4 零点残余电压补偿电路接线图之二实验四 霍尔式传感器一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。二、基本原理：根据霍尔效应，霍尔电势UHKHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它的电势会发生变化，利用这一性质可以进行位移测量。三、需用器件

18、与单元：主机箱、霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。四、实验步骤：1、按图1示意图接线(实验模板的输出接主机箱电压表的)，将主机箱上的电压表量程(显示选择)开关打到档。2、检查接线无误后，开启电源，调节测微头使霍尔片处在两磁钢的中间位置，再调节RW1使数显表指示为零。图1 霍尔传感器(直流激励)位移实验接线示意图3、以某个方向调节测微头2位移，记录电压表读数作为实验起始点；再反方向调节测微头每增加0.1mm记下一个读数(建议做2-3位移)，将读数填入表1。表7X（mm）V(mv)将实验数据（重复三次正反行程）填入表1画出实验曲线；计算灵敏度；非线性误差；重复性；迟滞误差。实验完毕，关闭电源

19、。实验五 压电式传感器一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。三、需用器件与单元：主机箱、差动变压器实验模板、振动源、示波器。四、实验步骤：1、按图1所示将压电传感器安装在振动台面上(与振动台面中心的磁钢吸合)，振动源的低频输入接主机箱中的低频振荡器，其它连线按图示意接线。图1 压电传感器振动实验安装、接线示意图2、将低频震荡器幅度旋钮逆时针转到底（幅度为零

20、），合上主机箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察低通滤波器输出的波形。3、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形；在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时观察输出波形变化。4、改变振动源的振荡频率(调节主机箱低频振荡器频率)，观察输出波形变化（共振点、共振点前后各两个点，一共5个点）。实验完毕，关闭电源。实验六、热电式传感器热电阻测温特性实验一、实验目的1、理解热电传感器的工作原理和特点。2、掌握热电传感器测量温度的方法。3、了解温度控制系统的设计。二、基本原理利用导体电阻随温度变化的特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电

21、阻与温度之间最好有线性关系。常用铂电阻和铜电阻在0630.74以内，电阻Rt与温度t的关系为：Rt=R0(1+At+Bt2)R0系温度为0时的电阻。本实验R0=100欧姆，At=3.9684×10-2/，Bt=-5.847×10-7/2，铂电阻现是三线连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。三、实验器件与单元 加热源、K型热电偶、Pt100热电阻、Cu50热电阻、温度控制单元、温度传感器实验模板、数显单元、万用表 四、实验步骤：1、注意：首先根据实验台型号，仔细阅读“温控仪表操作说”，学会基本参数设定。2、将热电偶插入台面三源板加热源的一个传感器安置孔中。将

22、型热电偶自由端引线插入主控面板上的热电偶E插孔中，红线为正极，注意热电偶护套中已安置了二支热电偶，型（红黑）和E型（蓝绿），它们热电势值不同，从热电偶分度表中可以判别型和型（型热电势大）热电偶。3、将加热器的220V电源插头插入主控箱面板上的220V控制电源插座上。4、将主控箱的风扇源(2-24V)与三源板的冷风扇对应相连，电机转速电压旋至最大。5、将Pt100铂电阻三根线引入“Rt”输入的a、b上：用万用表欧姆档测出Pt100三根线中其中短接的二根线接b端。这样Rt与R3、R1、Rw1、R4组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。Rw1中心活动点与R6相接，见图5-1。6、在端点a与地之间加直

23、流源2V，合上主控箱电源开关，调Rw1使电桥平衡，即桥路输出端b和中心活动点之间在室温下输出为零。7、加±15V模块电源，调Rw3使V02=0，接上数显单元，拨2V电压显示档，使数显为零。 图1 热电阻测温特性实验8、设定温度值50将PT100探头插入加热源另一个插孔中开启加热开关，待温度控制在50，时记录下电压表读数值，重新设定温度值为50+n·t，建议t=5，n=110，每隔1n读出数显表输出电压与温度值，将实验数据（重复三次正反行程）填入表1画出实验曲线；计算灵敏度；非线性误差；重复性；迟滞误差。实验完毕，关闭电源。表1t()V(mv)9、选择铜热电阻。将实验数据（重复三次正反行程）